Ć W I C Z E N I E N R E-13 PRACOWNIA ELEKTRYCZNOŚCI I MAGNETYZMU

WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII MATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

PRACOWNIA

ELEKTRYCZNOŚCI I MAGNETYZMU

Ć W I C Z E N I E N R E-13

BADANIE CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH TRANZYSTORA

I. Zagadnienia do przestudiowania

1. Elementy teorii pasmowej ciała stałego.

2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe w aspekcie teorii pasmowej oraz teorii wiązań chemicznych.

3. Działanie i charakterystyka złącza półprzewodnikowego typu p-n.

4. Zasada działania tranzystora.

5. Charakterystyki statyczne i parametry tranzystora w układzie o wspólnym emiterze.

6. Podstawowe zastosowania tranzystora.

II. Wprowadzenie teoretyczne

Tranzystor to układ złożony z trzech warstw półprzewodnikowych ułożonych w kolejności p-n-p (tranzystor typu p-n-p) lub n-p-n (tranzystor n-p-n) - jak na rysunku 1. Tranzystor zawiera zatem dwa złącza p-n. Dlatego w celu lepszego zrozumienia zasady działania tranzystora niezbędne jest dokładne zapoznanie się z treścią ćwiczenia „Badanie charakterystyki złącza p-n”.

Rys. 1. Typy tranzystorów i ich oznaczenia

Poszczególne warstwy nazywamy emiterem E, bazą B i kolektorem - w ślad za piśmiennictwem anglojęzycznym oznaczanym jako C. Tranzystor włączamy do obwodu w ten sposób, że do złącza emiter- baza przykładamy niewielkie napięcie w kierunku przewodzenia, natomiast do złącza baza-kolektor napięcie w kierunku zaporowym. Dlatego opór złącza B-C jest wielokrotnie większy od oporu złącza E-B. Ponieważ baza B jest warstwą bardzo cienką (i słabo domieszkowaną; co oznacza, że w obszarze bazy liczba nośników większościowych jest znacznie mniejsza niż w obszarach sąsiednich), a ponadto wartość napięcia przyłożonego do złącza B-C jest znacznie większe od wartości napięcia przyłożonego do złącza E-B, to nośniki mniejszościowe emitowane z emitera do bazy w obszarze bazy ulegają rekombinacji tylko w nie- wielkim stopniu, dlatego prawie wszystkie te nośniki przemieszczają się przez złącze B-C do kolektora. W efekcie przez złącze B-C płynie prąd o natężeniu IBC niewiele mniejszym od prądu IEB

płynącego przez złącze E-B. Jednakże ze względu na dużą różnicę oporów tych złączy moc złącza B-C jest znacznie większa od mocy złącza E-B. Zmieniając natężenie prądu w obwodzie „wejściowym” baza- emiter (w wyniku zmiany napięcia UBE), uzyskujemy prawie taką samą co do wartości zmianę natężenia prądu w obwodzie baza-kolektor (w dobrych tranzystorach stosunek ΔIBC/ΔIEC jest rzędu 0,8 do 0,99), ale - z uwagi na różnicę oporów tych obwodów (złączy) - za- równo zmiana napięcia UCB , jak i zmiana mocy PCB są wyraźnie większe w porównaniu ze zmianami odpowiednio napięcia „wejściowego” UBE i mocy

„wejściowej” PBE . Dzięki temu tak podłączony tranzystor - w żargonie: tranzystor w układzie o wspólnej bazie, symbolicznie WB lub OB (rys. rys. 1 i 2a) - umożliwia wzmacnia- nie sygnałów elektrycznych w aspekcie napięć i mocy.

Rys. 2. Układy połączeń tranzystorów na przykładzie tranzystora typu p-n-p:

a) układ o wspólnej bazie (WB lub OB), b) układ o wspólnym emiterze (WE lub OE), c) układ o wspólnym kolektorze (WC lub OC)

Wzmocnienie prądowe uzyskuje się natomiast w układzie ze wspólnym emiterem - symbol WE lub OE (rys. 2b). W tym przypadku wejściowy sygnał zmiennonapięciowy doprowadzany jest między emiter i bazę, a sygnał wyjściowy rejestrowany jako zmiana napięcia na oporniku obciążenia włączonego między emiter i kolektor. Niemal cały prąd wypływający z emitera E wpływa do kolektora C, natomiast przez bazę B płynie prąd o natężeniu IB bardzo małym w porównaniu z natężeniem prądu kolektora IC ≈ IE. Jednakże ten bardzo mały prąd bazy IB „steruje” dużym prądem IC; w wyniku czego nawet małe zmiany prądu bazy ΔIB wywołują silne zmiany prądu kolektora ΔIC. Tak więc układ tranzystora ze wspólnym emiterem umożliwia wzmocnienie sygnałów w aspekcie prądów, napięć i mocy. Dlatego większość układów wzmacniających zawiera tranzystory podłączone w tym właśnie układzie WE, czyli OE.

Układy ze wspólnym kolektorem (WC, czyli OC, rys. 2c) umożliwiają wzmacnianie napięć, ale stosowane są bardzo rzadko.

Tranzystor może być potraktowany jako przykład tzw. czwórnika, to znaczy układu czterozaciskowego (rys. 3). Związki między napięciami i natężeniami prądu można opisać w postaci trzech par nieliniowych równań funkcyjnych.

Pierwsza para to tzw. równania admitancyjne:

I1 = f(U1, U2) (1.1)

I2 = f(U1, U2) (1.2)

Druga para to tzw. równania impedancyjne:

U1 = f(I1, I2) (2.1)

U2 = f(I1, I2) (2.2)

Trzecia para to tzw. równania mieszane:

U1 = f(I1, U2) (3.1)

I2 = f(I1, U2) (3.2)

Rys. 3. Tranzystor jako czwórnik

Najczęściej stosuje się równania mieszane (3.1) i (3.2), ponieważ z nich stosunkowo prosto wynikają instrukcje dotyczące badania i sporządzania charakterystyk statycznych: Charakterystykę statyczną sporządza się w postaci wykresu wielkości zależnej (U1 w równaniu (3.1), I2 w równaniu (3.2)) w funkcji jednej z wielkości niezależnych, przy czym drugą z wielkości niezależnych traktuje się jako parametr.

Dla tranzystora w układzie wspólnego emitera (WE lub OE) bada się i sporządza następujące charakterystyki statyczne:

1. Zależność napięcia między bazą i emiterem od natężenia prądu bazy przy stałym napięciu między kolektorem i emiterem

UBE=f(IB)UCE=const (4)

(Charakterystykę tę niekiedy opatruje się nazwą „statyczna charakterystyka wejściowa”).

2. Zależność napięcia między bazą i emiterem od napięcia między kolektorem i emiterem przy stałym natężeniu prądu bazy

UBE=f(UCE)IB=const (5)

(Inna nazwa: „statyczna charakterystyka oddziaływania wstecznego”).

3. Zależność natężenia prądu kolektora od natężenia prądu bazy przy stałym napięciu między kolektorem i emiterem

IC=f(IB)UCE=const (6)

(Inna nazwa: „statyczna charakterystyka przejściowa”).

4. Zależność natężenia prądu kolektora od napięcia między kolektorem i emiterem przy stałym natężeniu prądu bazy

IC=f(UCE)IB=const (7)

(Inna nazwa: „statyczna charakterystyka wyjściowa”).

Równania mieszane (3.1) i (3.2) dla tranzystora w układzie o wspólnym emiterze mogą być zapisane następująco:

11 12

BE B CE

U h I h U (8.1)

21 22

C B CE

I h I h U (8.2)

Współczynniki h11, h12, h12 i h22, występujące w równaniach (8.1) i (8.2), stanowią parametry statyczne tranzystora i są zdefiniowane następująco:

– opór wejściowy

]

11 [







 const UCE B we IBE

R U h

(9) – współczynnik zwrotnego sprzężenia napięciowego - odwrotność współczynnika wzmocnienia

napięciowego

]

12 [V/V

const

 

 

IB CE BE

U h U

(10) – współczynnik wzmocnienia prądowego

]

21 [mA/mA

const

 

 



UCE B C

I h  I

(11) – przewodność wyjściowa - odwrotność oporu wyjściowego

] 1 [

22 



 





1/

const IB CE C

wy U

I h R

(12) Przyjęto, że rodziny charakterystyk statycznych tranzystora w układzie o wspólnym emiterze (WE lub OE) sporządza się w jednym wspólnym układzie współrzędnych o opisie osi jak na rysunku 4.

Rys. 4. Zintegrowany układ współrzędnych do prezentacji charakterystyk statycznych tranzystora w układzie o wspólnym emiterze

III. Zestaw pomiarowy

2 woltomierze, miliamperomierz, amperomierz, tranzystor, zasilacz, przewody.

IV. Schemat układu pomiarowego

V. Przebieg ćwiczenia

1. Połączyć obwód według schematu.

2. Wyznaczenie charakterystyk IB = f(UBE) dla dwóch wartości UCE : a) Na zasilaczu stabilizowanym ustawić napięcie UCE = 2 V.

b) Zmieniając napięcie emiter - baza UBE w zakresie 01,2 V co 0,1 V, odczytywać prąd bazy IB . c) Pomiary powtórzyć dla napięcia 6 V.

d) Wyniki wpisać do tabeli.

UCE = 2 V UCE = 6 V

UBE [V] IB [mA] UBE [V] IB [mA]

0,1 0,2

… 1,2

0,1 0,2

… 1,2

Parametry mierników Klasa Zakres

Wartość najmniejszej

działki UCE

UBE

IB

3. Wyznaczanie charakterystyk IC = f(IB) dla dwóch wartości UCE : a) Na zasilaczu stabilizowanym ustawić napięcie UCE = 2 V.

b) Zmieniając prąd bazy IB w zakresie od 1 mA do 12 mA co 1 mA, odczytywać prąd kolektora IC . c) Pomiar powtórzyć dla napięcia UCE = 6 V.

d) Wyniki wpisać do tabeli.

UCE = 2 V UCE = 6 V

IB [mA] IC [A] IB [mA] IC [A]

1 2

… 12

1 2

… 12

Parametry mierników Klasa Zakres

Wartość najmniejszej

działki UCE

IB

IC

4. Wyznaczenie charakterystyk IC = f(UCE) dla dwóch wartości IB : a) Na zasilaczu stabilizowanym ustalić prąd bazy IB = 5 mA.

b) Zmieniając napięcie kolektor - emiter UCE w zakresie 0,21 V co 0,2 V, w za- kresie 16 V co 1 V odczytywać prąd kolektora IC.

c) Pomiar powtórzyć dla prądu bazy IB = 10 mA.

d) Wyniki wpisać do tabeli.

IB = 5 mA IB = 10 mA

UCE [V] IC [A] UCE [V] IC [A]

0,2 0,4

… 1,0 2,0

… 6,0

0,2 0,4

… 1,0 2,0

… 6,0

Parametry mierników Klasa Zakres

Wartość najmniejszej

działki UCE

IB

IC

VI. Opracowanie wyników

Celem ćwiczenia jest:

1. Wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych złącza baza-emiter przy stałym napięciu kolektor- emiter

(IB = f(UBE) dla dwóch wartości UCE = const).

2. Wyznaczenie charakterystyk prądu kolektora od prądu bazy przy stałym napięciu kolektor-emiter (IC = f(IB) dla dwóch wartości UCE = const)

3. Wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych złącza kolektor-emiter przy stałym prądzie bazy (IC = f(UCE) dla dwóch wartości IB = const)

4. Narysować zmierzone charakterystyki na wspólnym układzie współrzędnych

5. Dla punktów pracy leżących na odcinkach zbliżonych do liniowych obliczyć następujące parametry tranzystora pracującego w układzie OE:

– oporność wejściową Rwe :

const

 





UCE B E BE

we I

h U R ₁₁ – współczynnik wzmocnienia prądowego 

const

 



 



UCE B E IC

h₂₁ I 1 

 

– przewodność wyjściową Rwy

1 :

const

 

 



IB CE E C

wy U

h I

R ²²

1

Z wartości wzmocnienia prądowego  obliczyć współczynnik przeniesienia 

wartości przewodności wyjściowej Rwy

1 obliczyć opór wyjściowy Rwy .

9. Obliczyć błędy mierników z klasy dokładności i używanych zakresów pomiarowych, zaznaczyć je graficznie dla kilku wybranych punktów każdej charakterystyki.

10. Obliczyć błędy bezwzględne wszystkich parametrów tranzystora metodą różniczki zupełnej, podać błędy procentowe tych parametrów, a wyniki zestawić w tabeli.

Parametr tranzystora Błąd

bezwzględny Jednostka

Błąd procentowy Symbol Wartość [%]

rwe





1 rwy

rwy

Literatura

1. Massalski J., Fizyka dla inżynierów, T. II, Fizyka współczesna, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.

2. Sawieliew I.W., Wykłady z fizyki, T. II, Elektryczność i magnetyzm, Fale, Optyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994.

3. Szalikowa K.W., Fizyka półprzewodników, PWN, Warszawa 1974.

4. Szczeniowski S., Fizyka doświadczalna, Cz. III, Elektryczność i magnetyzm, PWN, Warszawa 1972.

5. Szydłowski H., Pracownia fizyczna wspomagana komputerem, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

Zasada sporządzania wykresów

Prawidłowe opracowanie wyników pomiarów wymaga wykonania odpowiedniego wykresu. Podczas robienia wykresu należy kierować się następującymi zasadami:

1. Wykres wykonuje się na papierze milimetrowym. Na układzie współrzędnych definiujemy liniowe osie liczbowe w przedziałach zgodnych z przedziałami zmienności wartości X i Y ; oznacza to, że na każdej z osi odkładamy tylko taki zakres zmian mierzonej wielkości fizycznej, w którym zostały wykonane pomiary. Nie ma zatem obowiązku odkładania na osiach punktów zerowych, gdy nie było w ich okolicy punktów pomiarowych ( chyba, że w dalszej analizie konieczne będzie odczytanie wartości Y dla X=0). Skalę na osiach układu nanosimy zazwyczaj w postaci równooddalonych liczb. Ich wybór i gęstość na osi musi zapewniać jak największą prostotę i wygodę korzystania z nich.

Na osiach wykresu muszą być umieszczone odkładane wielkości fizyczne i ich jednostki lub wymiary.

2. Punkty nanosimy na wykres tak, by były wyraźnie widoczne, zaznaczamy je kółkami, trójkątami, kwadracikami itp. Na rysunku należy zaznaczyć również niepewności pomiarowe w postaci prostokątów lub odcinków .

Graficzne przedstawienie niepewności systematycznej:

Załóżmy, że wartości x i y otrzymane z pomiarów są obarczone odpowiednio niepewnościami ∆x i ∆y.

Oznacza to, że rzeczywiste wartości tych wielkości mieszczą się w przedziałach od x-∆x do x +

∆x oraz od y-∆y do y + ∆y . Na wykresie zależności Y(X) przedziały te wyznaczają wokół punktów (x,y) prostokąty o bokach 2∆x i 2∆y . Niepewności te można również zaznaczać wokół punktu pomiarowego ( x,y ) poprzez odcinki o długości 2∆x i 2∆y (rys.1)

Rys.1 Zaznaczanie niepewności wokół punktów pomiarowych.

Uwaga: Jeżeli wartość zmiennej X jest dokładnie znana (czyli ∆x=0), to na wykresie zaznaczamy tylko niepewności na osi zmiennej zależnej (na osi y).

3. Rozmiar wykresu nie jest dowolny i nie powinien wynikać z tego, że dysponujemy takim, a nie innym kawałkiem papieru (na rys.2 arkusz papieru milimetrowego zaznaczony jest kolorem niebieskim). Rozmiar powinien być określony przez niepewności pomiarowe tych wielkości, które odkłada się na osiach. Niepewność ta powinna w wybranej skali być odcinkiem o łatwo zauważalnej, znaczącej długości .

4. Następnie prowadzimy odpowiednią krzywą ( nie może to być linia łamana!) tak, by przecinała w miarę możliwości punkty pomiarowe, ale nie należy dążyć do tego, aby przechodziła ona przez wszystkie punkty, ponieważ każdy z nich obarczony jest niepewnością. W przypadku dużych rozrzutów staramy się, by ilość punktów poniżej i powyżej krzywej była zbliżona- w ten sposób uśredniamy graficznie wyniki pomiarów. W przypadku zależności nieliniowych korzystamy z krzywików.

5. Każdy rysunek powinien być podpisany. Etykieta wykresu wyjaśnia, co rysunek zawiera, co reprezentują zaznaczone krzywe.

PODSUMOWANIE:

Rys.2